光纤陀螺中的耦合器应用

光纤陀螺－光电子技术在光纤传感器中应用的典范
汪绳武
（上海永鼎光电子技术有限公司）
中国惯性学会
摘要 光纤陀螺是属于惯性技术范畴的一种惯性仪表。

光纤陀螺也是
光电子技术范畴的一种光传感器，光纤陀螺是惯性技术与光电子技术
紧密结合的产物。

但实际上，惯性技术与光电子技术在光纤螺上的紧
密切合还是不足的，光电子技术的发展还没有充分注意到光纤传感器，
特别是光纤陀螺的潜在市场。

本文通过对光纤陀螺和与其相关的光电子器件的介绍， 希望两个技
术方面要在过去已有的基础上，更进一步互相渗透，使光纤陀螺市场
早日形成。

1．概述
陀螺仪的应用在我们周围无处不存在，例如，在国防领域中导弹的精确制导、潜艇长期潜伏在水下的精确导航、行进中的坦克保持火炮和瞄准系统的稳定等都离不开陀螺仪。

在国民经济领域中，工程测量的精确定位、石油钻探的精确定向、机器人动作精确控制等也要靠陀螺仪。

即使在日常生活中，人们在不知不觉中也已经或将得益于陀螺仪。

比如飞机在飞行中使旅客感到十分平稳和舒适是得益于陀螺仪构成的航向姿态参考系统。

随着列车提速，消除车厢摆动尤其高速转弯时的摆动，就要借助于陀螺仪。

还有，汽车行驶中的定位和导向，在目前主要靠GPS，但GPS的使用存在着被动性的缺点，当GPS与陀螺组合在一起时，才使汽车导向和自动驾驶真正具备了主动性。

陀螺仪的应用十分广泛，以上的例子只是极少的一部分。

以上列举的应用是通过陀螺仪和伺服控制系统共同实现的，而陀螺仪在其中充当了一个十分重要的、不可缺少的角色。

陀螺仪的种类很多，包括机电的、激光的、光纤的、压电的和微机械的等等。

各种陀螺仪都具有自身的优点。

但到目前为止，在众多类型的陀螺中，光纤陀螺更受到各种应用的关注。

光纤陀螺本质上是由光电子器件组成的光干涉仪系统，没有任何活动部件，这就决定了光纤陀螺具有一系列独特的优点：不怕冲击振动，可以在恶劣的力学环境下应用；对角速
率的反应极快；角速率测量灵敏度高；测量速率范围高达；潜在的成本低；加工简单。

这些优点是其它陀螺不能比拟的。

国内外十分重视光纤陀螺的发展和应用，但目前国内发展速度跟不上需求，至今尚未生产和达到应用。

主要问题是总体技术未达到应用的要求，而与光纤陀螺相关的光电子器件在技术和数量上又满足不了陀螺总体的设计要求。

通信光电子器件产业在国内已经有相当的规模，但主要市场的还是针对光通信行业，对光电子器件的另一个应用市场，即光纤陀螺和光纤传感器，还未被受到足够的重视。

研究其原因，从商业角度考虑，是因为光纤陀螺市场尚未形成，不能成为推动光纤陀螺专用的光
电子器件发展的动力。

另一方面也反映了光电子产业发展中的局限性，多多少少地影响了光纤陀螺市场的早日形成。

所幸的是现在已经有一些企业家看到了以上问题及市场前景，重视特殊的光电子器件的发展，并已经开始组织力量研发光纤传感器用的光电子器件。

本着推进与光纤传感器相关的光电子产业发展，下面对光纤陀螺与光电子器件的一些相关技术作一些综合性的叙述。

2．光纤陀螺
光纤陀螺由两部分组成：光学部分和信号处理电路部分。

光学部分包含光电子器件和光纤器件。

有时这两种器件都被纳入光电子技术。

按照光纤陀螺光学系统的构成，目前进入实用的光纤陀螺主要有两类：全光纤陀螺和使用了集成光学器件的“集成光学器件光纤陀螺”。

全光纤陀螺可采用开环或闭环的信号处理电路。

这种陀螺的成本较低，但实现高精度的技术难度较大，因此大多用于精度要求不高和低成本的场合。

集成光器件光纤陀螺由于波导相位调制器的调制带宽可高达几个G Hz，在信号处理中可以采用数字闭环技术，易于实现高精度和高稳定性，是目前最常用的光纤陀螺构成模式。

图1 全光纤陀螺示意图
图2 集成光器件光纤陀螺示意图
为了进一步提高陀螺的长期稳定性，一种EDFA光纤陀螺已经进入实用。

图3 EDFA光纤陀螺原理图
因为在光纤陀螺的干涉系统中，由角速率 引起的相位移 （SAGNAC 相移）与波长有关:
因此，在高精度、高稳定性光纤陀螺中，光源的功率和波长稳定性显得尤为重要，而使用EDFA 取代SLD是一个有效的解决方案。

光纤陀螺在实际应用中大多数是以所谓的INU(惯性测量组合)的方式出现，由于光纤陀螺对角速率的敏感轴是单轴的，所以在一个三维INU中至少需要敏感轴互为正交的三只光纤陀螺。

为了降低成本，通常通过1×3或1×4的光纤耦合器，使三只或四只光纤陀螺共用一只光源，以降低系统成本。

为了控制光纤陀螺中由于偏振不稳定所造成的漂移，往往使用保偏光纤及保偏器件。

使用保偏光纤及保偏器件后，陀螺性能提高了，但陀螺的成本也跟着上升。

通过采用消偏技术，可以用单模光纤制造低精度或中低精度的低成本光纤陀螺。

光纤陀螺涉及到的技术问题很多，从以上简单介绍中可以知道，光纤陀螺的研究、制造和发展都与光电子技术紧密联系。

可以罗列出与光纤陀螺相关的光电子器件的项目有：
光纤: 单模光纤、保偏光纤、细经光纤、匹配型保偏光纤；
有源器件： 超辐射二极管(SLD)；低噪声PIN、宽带PIN-FET；
光耦合器件： 保偏光纤耦合器、1×3(1×4)光纤耦合器、小型化耦合器；
光集成器件： 多功能集成光器件；
EDFA: 泵浦光源、掺饵光纤、光纤光栅、隔离器；
消偏： 光纤消偏器；
偏振控制： 微小型光纤偏振控制器；
光波导器件： 波导型无源器件、波导敏感环路；
下面对光纤陀螺相关的光电子器件的特殊性作概要说明。

3．光纤陀螺中的光电子与光纤器件
3．1 偏振保持光纤 细经光纤 匹配型保偏光纤
光纤陀螺敏感线圈中的光纤长度需要几百米至一公里，用通常的单模光纤制造光纤环圈是不合适的。

众所周知两束具有相同的波长，相同的偏振态，相同的光强度，并且处于相干长度内的光会产生最佳相干度的稳定的光干涉。

但是当光传输经过单模光纤时，由于单模光纤的非均匀性，输入的线偏振光将分解为分量的方式传播，并且材料的非均匀性和受环境影响，使分量的大小和传播速度沿着转播空间不规则变化，这种所谓的相位滞后使偏振态椭园化，具有了空间和时间的不确定性。

具有不确定性偏振态的两束光在经过捡偏器后的相干光强度将会随时间涨落。

在干涉型光纤陀螺中，对角速率的度量是通过对相干光强的测量而实现的。

因此用单模光纤制造的陀螺是不稳定的。

偏振保持光纤是通过在光纤中增加应力区，使光纤内具有确定的应力分布的单模光纤。

这种应力分布应远大于外界影响，这样，当平面偏振光的振动方向与保偏光纤的光轴一致时，光将沿着这个方向一直传播下去，保持了偏振相干的稳定性。

对于高精度光纤陀螺，必须用高质量的保偏光纤制造敏感环圈。

光纤陀螺对角速率的灵敏度与光纤环圈中的光纤长度成比例，为了使光纤陀螺小型化，光纤陀螺必然会使用0.08mm左右的细经保偏光纤。

细经保偏光纤是保偏光纤发展的方向。

在保偏的光学系统中，光纤耦合器也必须是保偏的。

为了制造保偏耦合器，还需要有匹配型保偏光纤和专用的制造设备。

3．2 超辐射二极管 高灵敏度宽带PIN-FET
当光在几百米长的光纤中传输时，瑞利散射对陀螺的影响是必须考虑的。

背向的瑞利散射与该方向上的传输光产生的相干光强度会干扰陀螺的正常输出，形成瑞利噪声。

在光纤陀螺中瑞利散射与传输光之间的相位差不是定值，而是随光纤不同的位置而变化，但绝大部分的相位差或者说光程差都大于SAGNAC 相移，显然，只要使用短相干长度的光源就可以去除大部分的瑞利噪声，提高陀螺性能。

为了达到以上目的，同时考虑到光功率的需要，在光纤陀螺中使用了宽带光源超辐射二极管（SLD）,这种半导体二极管介于LD和LED之间，譜宽在30nm以上，发光效率应不低于150mW / 100μA （出纤）。

超辐射二极管在光纤陀螺中占有很重要的地位，除了上面提到的要求外，还有工程上的一些特殊要求。

但是目前就超辐射二极管进行针对性的结构和工艺研究甚少，器件研发和陀螺应用之间还未形成良性循环，这种状态是急待改善的。

有源器件中还有一项重要器件是高灵敏度宽带PIN-FET。

高灵敏度与宽带是矛盾的，造成了这种器件研发的难度。

3．3 特种耦合器
在光纤陀螺中使用的耦合器是特种耦合器。

主要有三类：保偏耦合器、1×3（1×4）耦合器、特殊波长耦合器。

保偏耦合器的基本原理与标准耦合器相似，但是制造保偏光纤耦合器的设备是专用的，还要配合一系列专用技术，其中包括光纤平行熔融拉锥、光轴调节与测定、熔融拉锥工艺过程中的保持光轴稳定、器件封装等。

此外对于保偏光纤也有特殊要求，专用的光纤必须具是折射率匹配型保偏光纤。

1×3（1×4）耦合器也要符合保偏器件的要求。

光纤陀螺中的特殊波长耦合器用于自发辐射型的掺饵光纤光源，和EDFA中的耦合器相同。

为了降低克尔效应的影响，用于高精度光纤陀螺中的耦合器对分束比有较高的要求，
3．4 多功能集成光器件
光纤陀螺中使用的多功能集成光器件的主要功能包含偏振、相位调制和光分路。

替代用于全光纤陀螺中的偏振器、相位调制器和耦合器。

制造集成光学器件的衬底材料可以有多种选择，如 Ⅲ-Ⅴ属半导体、在硅材料上制备的二氧化硅、玻璃等。

但对于光纤陀螺来说，最好的选择还是铌酸锂材料（lithium niobate --- LiNb0），这是因为这种材料具有很好的电光性能，当通过电极对波导施加电场时，波导的折射率将发生相应的变化，并使光波产生相移，这种相位调制性能对于干涉型光纤陀螺来说是十分必要的。

调制器上的电极是通过第二次蚀刻工艺将金属制作在波导两侧。

在衬底上紧挨着的电极电容大约为10pF,对50负载阻抗的调制带宽为300MHz,对于光纤陀螺来说,这样的带宽已经够用了。

在这样带宽范围内, 调制器的响应是平坦的, 使集成光学相位调制器在光纤陀螺中成为一种理想的器件。

LiNb0集成光学波导通常是用鈦（Ti）扩散技术制造的。

为了获得最佳效率,必需将晶体加工成X-切向(X轴与衬底面垂直)、Y-向传播的波导(即波导与Y轴平行)。

于是，与Z
轴平行的，即TE模能受平行于波导的金属电极有效调制。

在集成光器件中将波导设计成Y型，并在单Y型波导的分路上分别做上电极，使得Y型波导既是相位调制器又相当于全光纤陀螺中的光纤分路器。

钛扩散波导的缺点是，在钛扩散加温时会发生衬底表面外扩散的问题从而产生一个非常偏振光的寄生平面波导（即X－切的TE模）,这种寄生的平面波导会在正常扩散的波导间产生光的泄漏或波导间的串音。

质子交换是解决钛扩散波导缺点的有效方法。

质子交换是在较低的温度下（约200－300℃）进行的，这样就避免了高温下外扩散的问题，但是低温交换会使器件的长期稳定性差。

使用退火技术能使寿命明显提高，现在的质子交换对光纤陀螺来说已成为一种很好的选择，因为，通过质子交换技术可获得波导的高偏振度，而高偏振度是高精度陀螺的必要条件。

3．5 EDFA
在光通信领域中EDFA用于特定波长下的光信号放大，这种放大器被称之为掺饵光纤放大器。

用泵浦光源激励掺饵光纤并使其工作在自发辐射状态，此时掺饵光纤的输出是波长与光功率稳定的宽带光源，这种光源的出纤光功率大，使得增加光纤环圈中的光纤长度成为可能，从而实现光纤陀螺的高灵敏度。

还有一个突出优点是光纤光源的波长稳定，改善了光纤陀螺由波长漂移所造成的不稳定性。

EDFA 用于光纤陀螺需要做许多改进，包括适用于陀螺仪使用的，与小型化相关的一系列工艺和技术的改进。

用掺饵光纤光源的光纤陀螺在国外已经实用化，这种高精度陀螺已被用于舰船的导航系统。

3. 6 光纤消偏器
光纤陀螺的发展，一方面向高精度，另一方面是向着低成本。

尤其中低精度的光纤陀螺有着庞大的应用市场，如若成本过高，则将失去竞争优势。

降低成本的因素是多方面的，但就陀螺自身而言，消偏陀螺是有效的途径。

在前面我们已经介绍，在光纤陀螺中的偏振噪声是由于线偏振光传输通过单模光纤时变成不稳定的椭园偏振光所引起的。

当以顺时针方向和以逆时针方向的椭圆偏振光在捡偏方向发生干涉时，干涉光强不稳定，造成了陀螺输出的漂移。

如果顺时针方向或逆时针方向的椭圆偏振光分别以正交方式出现，一对正交的椭圆偏振光强在捡偏方向上是互补的，他们又是互不相关的，那末输出干涉光强将是稳定的。

消偏器在光纤陀螺中就能起这样的作用。

光纤消偏器用两段长度不同的保偏光纤制成，主光轴互成45度。

这种消偏器称为Lyot 型消偏器，是一种特殊的光纤无源器件。

3．7 微小型光纤偏振控制器
全单模光纤的光纤陀螺是可以实现的，甚至无需使用光纤消偏器。

为了使这种陀螺处于最好的工作状态，在光路中需加入一个光纤偏振控制器。

偏振控制器的原理是清楚的，但是作为光纤陀螺中应用，要实现小型化和高偏振稳定度确是有难度的。

使用微型光纤偏振控制器可以制成低成本的全单模光纤陀螺，这种模式的光纤陀螺有广泛的应用市场，如用于汽车导航系统、机器人等。

结束语 本文不是试图从学术上来讨论光纤陀螺与光电子技术，仅仅是为了说明它们之间的依赖关系和发展趋势。

光纤陀螺所涉及的光电子器件与光通信的光电子器件在技术上是相通的，但并非光通信的光电子器件搬到光纤陀螺中就能满足使用要求。

光电子技术的研究和发展不要忽视了光纤传感器特别是光纤陀螺未来的市场。

同样光纤陀螺的研发不要仅局限于惯性技术范围，而应特别关注并在可能情况下参与光电子技术的应用发展。

处理好了以上关系，光电子器件在光纤传感的应用中才能发挥出强大的生命力。